基于學(xué)習(xí)行為記錄與分析的電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)研究

陳矛+戴苗+羅航+王華鑫

摘 要：通過電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以捕獲到大量的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，如何從海量數(shù)據(jù)中快速有效獲取有價(jià)值的信息并有效利用這些大數(shù)據(jù)是目前教育信息化領(lǐng)域亟需研究的問題。該研究設(shè)計(jì)了一種基于云平臺(tái)之上的電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)習(xí)者行為數(shù)據(jù)的完備收集、分析和可視化呈現(xiàn)。文章給出了電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)的需求分析和設(shè)計(jì)框架，并詳細(xì)闡述了各模塊的功能。

關(guān)鍵詞：電子書；學(xué)習(xí)行為記錄與分析；學(xué)習(xí)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G40-057 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2017）23-0041-05

引言

大數(shù)據(jù)領(lǐng)域近年來蓬勃發(fā)展，作為大數(shù)據(jù)的細(xì)分領(lǐng)域，教育大數(shù)據(jù)具有推動(dòng)教育變革的巨大潛力。[1]通過記錄學(xué)習(xí)者的各種學(xué)習(xí)行為，然后利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法來分析挖掘收集到的海量學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)，可以更加深入地考察學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)系，有助于教師提前發(fā)現(xiàn)教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)中的問題，改進(jìn)教學(xué)策略，同時(shí)也可對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行更為精確的預(yù)測(cè)。

完備、詳細(xì)的用戶學(xué)習(xí)行為記錄信息，是開展教育大數(shù)據(jù)分析的前提和基礎(chǔ)。本研究提出了一種能夠支持用戶閱讀電子書、記錄用戶在閱讀和使用電子書過程中各種學(xué)習(xí)行為信息的學(xué)習(xí)系統(tǒng)和管理平臺(tái)，為研究和分析學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為與學(xué)習(xí)效果之間的關(guān)系、改善基于電子書的學(xué)習(xí)模式以及進(jìn)一步優(yōu)化基于電子書的教學(xué)管理和學(xué)習(xí)提供了技術(shù)支持。

一、基于電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)行為記錄與分析

通過采集并記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)行為來研究和分析學(xué)生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，有針對(duì)性地加以解決，是提高人才質(zhì)量的關(guān)鍵。[2]電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以在課前、課中、課后全過程實(shí)時(shí)記錄用戶的行為和學(xué)習(xí)信息，基于這些信息，利用數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，分析出學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展并及時(shí)做出反饋，可以幫助學(xué)習(xí)者認(rèn)清自己的學(xué)習(xí)習(xí)慣和偏好，采取對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)策略來提高學(xué)習(xí)的成效。

我們將系統(tǒng)記錄的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為信息分為如下三部分：①學(xué)習(xí)者相關(guān)信息。包括學(xué)習(xí)者身份信息，如姓名、性別、年齡、年級(jí)、班級(jí)，系統(tǒng)屬性設(shè)置信息等。其中，學(xué)習(xí)者身份信息是教師進(jìn)行學(xué)情分析，分析同一課程對(duì)不同班級(jí)、不同性別學(xué)習(xí)者的教學(xué)效果的重要信息。②學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況。主要包含學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)進(jìn)度、停留時(shí)間、學(xué)習(xí)次數(shù)、作業(yè)完成情況等。此部分信息對(duì)教師掌握學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)情況是相當(dāng)重要的。例如，我們可以通過學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的點(diǎn)擊次數(shù)分析，推送學(xué)習(xí)者感興趣的學(xué)習(xí)內(nèi)容。③學(xué)習(xí)者交流互動(dòng)情況。主要指學(xué)習(xí)者對(duì)某門課程或某一書籍提問、評(píng)論或回復(fù)情況。

為了更好地滿足實(shí)際教學(xué)的需求，發(fā)揮電子書這一資源形式的優(yōu)勢(shì)，就需要在電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)中融入更多的功能和手段來支持多種常用的教學(xué)模式，包括翻轉(zhuǎn)課堂、個(gè)性化學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等。個(gè)性化學(xué)習(xí)模式下，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)一般是非線性的，即學(xué)習(xí)者并不是按照書上的章節(jié)從前到后的順序?qū)W習(xí)。此時(shí)系統(tǒng)主要是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)內(nèi)容的記錄。呈現(xiàn)個(gè)性化的學(xué)習(xí)界面，告知學(xué)習(xí)者，哪些知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)學(xué)習(xí)過、學(xué)習(xí)多少遍了，哪些知識(shí)點(diǎn)還沒學(xué)習(xí)，每一章節(jié)的學(xué)習(xí)進(jìn)度如何，學(xué)習(xí)者可以據(jù)此有選擇地針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)。[3]此外，本系統(tǒng)通過對(duì)電子書資源和教學(xué)視頻資源的整合、學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為記錄以及學(xué)習(xí)行為的統(tǒng)計(jì)分析與可視化，克服了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下學(xué)習(xí)者無法有效開展交流討論、教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度無法準(zhǔn)確把握等不足，為學(xué)生提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，能更好地服務(wù)于翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。

二、電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于對(duì)一線師生實(shí)際教學(xué)需求和市面上已有電子書閱讀軟件的分析，電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)應(yīng)具備打開并顯示電子書、標(biāo)注、屬性設(shè)置（如字體大小、屏幕亮度設(shè)置等）、資源下載等基本功能。此外，為了使本系統(tǒng)能適用于信息化程度日益提高的教學(xué)環(huán)境，支持教師開展多種教學(xué)模式，同時(shí)也使學(xué)生能夠獲得更多的學(xué)習(xí)資源和交互手段，我們提出了如下3個(gè)關(guān)鍵功能需求，并將它們引入到本系統(tǒng)中。

（1）強(qiáng)大的后臺(tái)支持

數(shù)字學(xué)習(xí)資源是傳統(tǒng)學(xué)習(xí)資源的拓展和延伸，它的功能比傳統(tǒng)學(xué)習(xí)資源更為廣泛。[4]為滿足學(xué)生的需要，系統(tǒng)應(yīng)為學(xué)習(xí)者提供豐富的后臺(tái)資源。本系統(tǒng)中的云服務(wù)平臺(tái)為系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的后臺(tái)支持，用戶可隨時(shí)訪問存儲(chǔ)于平臺(tái)之上相關(guān)的學(xué)習(xí)資源。除了存儲(chǔ)豐富的學(xué)習(xí)資源，云服務(wù)平臺(tái)還可存儲(chǔ)用戶的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)。此外，平臺(tái)上的資源可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)更新。

（2）全過程的學(xué)習(xí)行為記錄

學(xué)習(xí)者利用電子書包的學(xué)習(xí)，從本質(zhì)上看是以自律為主的學(xué)習(xí)，教師不能實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者進(jìn)行面對(duì)面的實(shí)時(shí)監(jiān)控，學(xué)習(xí)者也面臨著在學(xué)習(xí)方向上缺乏針對(duì)性、內(nèi)容上缺乏針對(duì)性等問題。[5]應(yīng)用電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)開展學(xué)習(xí)活動(dòng)，會(huì)遇到類似的問題。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為的全過程監(jiān)控記錄，是本系統(tǒng)不可缺少的功能。

全過程的學(xué)習(xí)行為記錄是對(duì)學(xué)生應(yīng)用電子書過程中學(xué)習(xí)行為信息的完備記錄，包括對(duì)學(xué)習(xí)資源的操作（如上傳資源、下載資源、閱讀、注釋、檢索等）、交互行為（包括學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)者之間的交互、學(xué)習(xí)者與教師的交互）、作業(yè)測(cè)試、資源更新等一系列信息，為下一步的學(xué)習(xí)行為統(tǒng)計(jì)分析與反饋提供數(shù)據(jù)源。

（3）學(xué)習(xí)行為的統(tǒng)計(jì)、分析與可視化

眾所周知，傳統(tǒng)課堂是一種單向的信息傳遞，教師是信息的輸出者而學(xué)生是接收者，其最大的弊端是學(xué)生在學(xué)習(xí)的同時(shí)無法向教師及時(shí)反饋有效信息，從而影響了教與學(xué)的質(zhì)量。[6]本系統(tǒng)將對(duì)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并以可視化的形式呈現(xiàn)出來。學(xué)生可以利用學(xué)習(xí)行為統(tǒng)計(jì)與分析功能隨時(shí)跟進(jìn)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度，教師也可以隨時(shí)跟進(jìn)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況，為學(xué)習(xí)者提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)指導(dǎo)和建議，并可幫助教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)教學(xué)過程中和學(xué)生學(xué)習(xí)中的問題，進(jìn)而改進(jìn)教學(xué)策略，做到因材施教。

三、電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1.學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

基于以上設(shè)計(jì)需求，在借鑒已有電子書閱讀軟件的基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)框架，主要包括云服務(wù)與接口、管理平臺(tái)、閱讀器、學(xué)習(xí)行為記錄四大功能模塊。endprint

云服務(wù)與接口模塊是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它為管理平臺(tái)、閱讀器、學(xué)習(xí)行為記錄三大模塊提供了接口服務(wù)。其中，學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)接口與規(guī)范明確了學(xué)習(xí)行為記錄的標(biāo)準(zhǔn)，并提供了對(duì)應(yīng)的接口API來存儲(chǔ)用戶學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與獲取數(shù)據(jù)接口則為管理平臺(tái)和閱讀器模塊提供了一系列的數(shù)據(jù)存、取服務(wù)API；文件上傳與文件下載則為電子書的上傳與下載提供服務(wù)接口，其中云服務(wù)平臺(tái)中匯聚了豐富的電子書資源供用戶下載；信息推送為教師提供了選擇圖書，并向?qū)W生推送選定書籍的功能。信息推送功能是本系統(tǒng)的特色功能之一，它的實(shí)現(xiàn)一方面有助于教師擁有更多的手段豐富教學(xué)內(nèi)容和策略，另一方面有助于教師推送給學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)資源。

電子書管理平臺(tái)主要用于管理書城和書架，包括設(shè)置、管理、預(yù)覽、閱讀、下載、評(píng)論、排行、導(dǎo)航、檢索等具體功能。用戶在使用管理平臺(tái)過程中產(chǎn)生的行為信息也被實(shí)時(shí)記錄，并通過接口與服務(wù)模塊更新到云服務(wù)平臺(tái)。

電子書閱讀器是本系統(tǒng)的主要組成部分。它實(shí)現(xiàn)了EPUB3.0電子書的解壓與解析功能，從而可以顯示電子書中的文本、圖片、視音頻和交互等多媒體資源。借助閱讀器，用戶可以像傳統(tǒng)閱讀那樣查看電子書目錄、翻頁、閱讀，并可在電子書上添加筆記、標(biāo)注、標(biāo)簽等操作。

學(xué)習(xí)行為記錄模塊實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)者全過程的學(xué)習(xí)行為記錄，記錄的信息主要來源于用戶在使用管理平臺(tái)和閱讀器過程中產(chǎn)生的行為信息，并通過接口與服務(wù)模塊，與云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息同步。學(xué)習(xí)行為的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以圖表等可視化形式呈現(xiàn)，用戶可隨時(shí)查看。

2.界面與功能實(shí)現(xiàn)

作為支持學(xué)習(xí)行為記錄與分析的電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)要具備電子書閱讀、管理及輔助學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)等功能。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和特點(diǎn)，系統(tǒng)主要功能如下：

（1）屬性設(shè)置

屬性設(shè)置支持用戶對(duì)電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)的屬性進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置，根據(jù)學(xué)習(xí)情境及使用偏好的不同，本系統(tǒng)支持用戶對(duì)字體顏色及大小、背景顏色、屏幕亮度、電子書內(nèi)容排版方式等進(jìn)行調(diào)整設(shè)置，以構(gòu)建個(gè)性化的閱讀環(huán)境。

（2）賬號(hào)管理

用戶使用賬號(hào)密碼登入系統(tǒng)。系統(tǒng)支持用戶進(jìn)行個(gè)人信息注冊(cè)、更新、修改等。用戶登錄系統(tǒng)后，使用電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù)將通過接口同步至云平臺(tái)。在用戶更換終端設(shè)備后，相關(guān)信息會(huì)同步至新終端設(shè)備中，以保證學(xué)習(xí)的延續(xù)性。需要說明的是，教師賬號(hào)和學(xué)生賬號(hào)所具備的功能是不同的，教師賬號(hào)具有班級(jí)創(chuàng)建及管理、答疑討論、作業(yè)批改及管理等功能；學(xué)生賬號(hào)具有加入班級(jí)、問題討論、作業(yè)管理的功能。

（3）書架管理

書架管理功能幫助用戶方便地整理、查找和閱讀書架上的電子書，主要包括顯示模式、書籍管理、排序和本地書籍四大功能。顯示模式包括“封面模式”和“列表模式”兩種，其中“列表模式”主要以文本方式來展示書籍信息，而“封面模式”則以圖片形式呈現(xiàn)書籍信息，可視化效果更好，但其所需顯示區(qū)域更大。書籍管理可讓用戶在書架上建立分組，以對(duì)電子書進(jìn)行分類管理，并可對(duì)已有分組和書籍進(jìn)行刪除。排序功能實(shí)現(xiàn)了依據(jù)“書籍名稱”、“入架時(shí)間”、“閱讀時(shí)間”等屬性對(duì)書架上的電子書進(jìn)行排序。本地書籍主要是方便用戶檢索、管理終端上的電子書，并可把本地書籍導(dǎo)入電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)。

（4）電子書閱讀器

電子書閱讀器是整個(gè)電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)的核心功能，用于打開、解析電子書，將電子書上的文本、視音頻、交互資源等所有內(nèi)容展示給用戶。閱讀器可使用戶像閱讀傳統(tǒng)書籍那樣查看目錄、翻閱電子書，并可獲得傳統(tǒng)閱讀中沒有的交互體驗(yàn)和眾多便捷工具，其中閱讀界面如圖2所示。閱讀器的具體功能有：①翻頁。用戶可根據(jù)個(gè)人習(xí)慣在移動(dòng)終端顯示屏上用手指滑動(dòng)翻頁，也可點(diǎn)擊“上一頁”、“下一頁”圖標(biāo)來實(shí)現(xiàn)翻頁，同時(shí)支持頁面之間的超鏈接跳轉(zhuǎn)。②標(biāo)注。對(duì)所選文字內(nèi)容進(jìn)行高亮標(biāo)記或添加筆記，同時(shí)也可對(duì)已有高亮標(biāo)記和筆記進(jìn)行刪除操作。③書簽。用戶可對(duì)選定的頁面進(jìn)行標(biāo)記，方便日后查看。④搜索。方便用戶在電子書中迅速定位特定內(nèi)容。⑤詞典。提供用戶生詞查詢，可拓展為生詞本等。⑥朗讀?？蓪⒂脩暨x中的文本內(nèi)容直接朗讀出來。

（5）書城

書城為用戶提供了豐富的電子書資源，可供用戶預(yù)覽、下載。書城主要功能包括：①導(dǎo)航。為便于用戶查看和瀏覽書城書籍，書城按照學(xué)科對(duì)書架進(jìn)行分類顯示。此外，系統(tǒng)根據(jù)用戶身份（小學(xué)、初中、高中、大學(xué)學(xué)生或教師等）、用戶以往使用信息以及相似用戶群體的使用信息（預(yù)覽、下載、收藏和評(píng)論等），實(shí)現(xiàn)了“為您推薦”、“新書快遞”等個(gè)性化智能推薦功能。②排行。根據(jù)系統(tǒng)所有用戶之前的預(yù)覽、下載、評(píng)論和收藏記錄，書城提供了“預(yù)覽排行”、“下載排行”、“評(píng)論排行”、“收藏排行”功能，便于用戶把握書城的整體使用情況，同時(shí)也可給用戶提供借鑒和推薦信息。③專題。專題是根據(jù)某些特定的主題（例如中考、高考、外語考試）對(duì)相關(guān)書城書籍進(jìn)行組織并呈現(xiàn)的一種方式。④搜索。用戶可按照書名、作者等關(guān)鍵字搜索書城的電子書。⑤預(yù)覽與下載。在如上每一個(gè)模塊中，用戶可以通過點(diǎn)擊頁面上電子書標(biāo)題，瀏覽作者、出版社、內(nèi)容簡介和目錄等基本信息，也可下載感興趣的書籍。⑥評(píng)論。用戶可對(duì)電子書內(nèi)容進(jìn)行評(píng)論，同時(shí)可查看其他人對(duì)本書的評(píng)論內(nèi)容。⑦收藏。支持用戶對(duì)感興趣的電子書進(jìn)行收藏。

（6）學(xué)習(xí)行為記錄與分析

學(xué)習(xí)行為記錄與分析功能實(shí)現(xiàn)主要包括三個(gè)部分——信息采集、數(shù)據(jù)分析、可視化。在圖3所示的功能結(jié)構(gòu)圖中，當(dāng)學(xué)習(xí)者使用本系統(tǒng)后，系統(tǒng)開始記錄學(xué)習(xí)者行為信息，如表1所示，并將得到的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)送到原始數(shù)據(jù)庫；接著，系統(tǒng)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、歸一化、統(tǒng)計(jì)與分析，并將結(jié)果存入學(xué)習(xí)者信息數(shù)據(jù)庫以更新學(xué)習(xí)者信息。當(dāng)用戶請(qǐng)求發(fā)出查詢命令時(shí)，系統(tǒng)在進(jìn)行用戶權(quán)限判定后把用戶需要的信息反饋給用戶。

基于反饋而得的可視化信息，學(xué)習(xí)者可以及時(shí)了解自身的學(xué)習(xí)進(jìn)度及知識(shí)掌握程度，從而對(duì)自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整與修正。同時(shí)，教師可以查閱學(xué)習(xí)者個(gè)體以及整體（小組、班級(jí)或年級(jí)）當(dāng)前或以前某個(gè)時(shí)刻的學(xué)習(xí)狀態(tài)，以整體把握教學(xué)進(jìn)度。

四、總結(jié)與展望

基于大數(shù)據(jù)環(huán)境下，通過對(duì)學(xué)習(xí)系統(tǒng)中所記錄的學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)的有效分析，了解學(xué)習(xí)者對(duì)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的使用特點(diǎn)，可以有效指導(dǎo)面向?qū)W習(xí)者的個(gè)性化知識(shí)呈現(xiàn)與選擇。本文介紹了一款支持學(xué)習(xí)行為記錄與分析的電子書學(xué)習(xí)系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有較為友好的交互界面和豐富的學(xué)習(xí)輔助功能。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)開發(fā)更為成熟的電子書閱讀產(chǎn)品具有一定的借鑒意義，對(duì)提升電子書在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用具有一定的推動(dòng)作用。目前，本系統(tǒng)僅是一個(gè)基本版本。下一步，我們將在進(jìn)一步完善和豐富系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，開展示范應(yīng)用和教學(xué)應(yīng)用效果實(shí)證研究，為我國電子書方面的教育應(yīng)用研究做一些嘗試和探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫洪濤，鄭勤華.教育大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)、應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2016（5）：41-49.

[2]馬悅.基于加速度傳感器的學(xué)生學(xué)習(xí)行為采集與分析系統(tǒng)[J].信息通信，2016（4）：160-161.

[3]鄧永炎.教學(xué)網(wǎng)站記錄學(xué)生學(xué)習(xí)過程研究[J].武漢冶金管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（1）：64-65.

[4]陳時(shí)見，王沖.論網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源的意義、功能與類型[J].電化教育研究，2003（10）：50-54.

[5]郭巍.網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為監(jiān)控可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].遼寧師范大學(xué)，2010.

[6]蔣文玲.面向自主學(xué)習(xí)的互動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)分析[J].中外交流，2016（13）.

（編輯：王天鵬）endprint